关键字 |
| 波束形成,到达时差(辐射源脉冲),到达方向(DOA),交叉相关 |
介绍 |
| 人们通常能够辨别方向,声音是来自使用两个耳朵。稍微不同的组合信号到达耳朵使我们能够推断出,直观地说,声音的方向。同样,生物启发的声音定位系统可以利用麦克风的数组,这是连接到一台电脑。此外,这样一个系统的麦克风可以从混合物中提取任何特定的声音产生的声音同时由几个来源。声源的空间位置可以确定基于发出音响信号的多个观测。这些应用程序基本上是变化的数学细节的三角测量方案,使用多个传感器,探测源发出的一个信号,是本地化的,或者通过使用多个发射器的信号感知传感器(例如GPS接收器)。最具代表性的方法经常用于与声源定位强度区别麦克风,波束形成和到达时间差(辐射源脉冲)。在当前的工作中,相位信息出现在信号和到达方向(DOA)信号的麦克风阵列用于找到源位置的估计。 |
声源定位 |
| 的过程中确定声源的位置相对于参考坐标系称为声源定位。声学源近场中可以了解到达时差的本地化(辐射源脉冲)测量双麦克风。介质中的声速声源距离的存在。继续调查在过去二十年中,基于时间延迟估计(语音)的定位已成为选择的技术。 |
| 答:时差不同 |
| 时滞估计(语音),旨在测量的相对时差到来(辐射源脉冲)在空间上分开传感器,发挥了重要作用在雷达、声纳、地震学和本地化辐射来源。 |
| 假设源发出一个声音信号S (t)和two-microphone数组观察信号X1 (t)和X2 (t)。由麦克风接收到的信号会扭曲由于房间的音响效果和环境噪声的环境。此外,由于数组中的两个麦克风之间的距离,将会有一个可测量的时间区别的观测信号在每个麦克风。这被称为到达时差(辐射源脉冲),τ,之间的麦克风。一个信号的时间τi S (t)是信号传播所需的时间从源数组中第i个麦克风。 |
 (2.1) |
| xs和子源的空间位置和第i个麦克风,ν是空气中的声速(米/秒)。随着声波穿越不同的路径到达空间上分开麦克风,信号从源在不同瞬间的时间到达麦克风。给定目标辐射源的双麦克风的时差和源被定义为两个麦克风接收到的信号。它是计算使用源的空间位置和麦克风。 |
| 在图2.1中,钛是由信号的时间到达麦克风我虽然tj的时间信号到达麦克风j。到达时差i和j麦克风当源之间的“年代”是我j兴奋是由目标辐射源。 |
 (2.2) |
| 目标辐射源的估计可以通过寻找“τ”最大化之间的互相关两个麦克风的信号。目标辐射源的然后转换成路径差异和到达角。 |
| 到达b方向 |
| 麦克风是在空间上分开时,声音信号到达不同的到达时间。从已知阵列几何,到达方向(DOA)可以获得信号的测量时延。时延估计的每一对麦克风阵列。获得的最佳估计DOA几何时延和数组。 |
| 在图2.2接收器1和2由一对放置的传感器m1和m2分别沿着X和Y轴。来自源的信号,到达接收器1,在一个角度θ1对线垂直于X -轴。在接收器1,额外的行驶距离源信号到达dcosθm1与m2。 |
| c .交叉相关性 |
| 互相关是一个常规的信号处理技术,可以应用于找到两份信号之间的时间延迟注册在一对麦克风。跨越两个信号之间的相关性是衡量一个信号之间的相似性和时间延迟版本的另一个信号。跨越两个信号之间的相关性解释多少一个信号与另一个信号的时间延迟版本有关。两个信号之间的互相关x (t)和y (t)被定义为 |
 (2.3) |
| 那里被称为延迟参数τ。互相关代表之间的重叠区域信号和延迟参数决定了最大可能的两个信号之间的相关性。 |
系统描述 |
| 方法提出了频带内定位一个声学源from100Hz 4 kHz在二维空间中使用麦克风阵列通过计算到达时差(辐射源脉冲)的声信号。到达时差(辐射源脉冲)估计从捕获的音频信号。本文到达时差(辐射源脉冲)基于源定位是基于一个两步过程来完成的。第一阶段包括之间的相位差估计信号到达接收机使用时间延迟估计技术。估计阶段差异然后转化成范围之间的差异测量传感器和到达方向(DOA)的信号计算。差异范围或计算出的路径差异也可以使用互相关方法直接从时间延迟。第二阶段利用高效的算法来计算源的位置通过使用信号的到达角。 |
| 答:假设 |
| 以下条件假定下,声源的位置估计:(1)单一声源存在,这是全方位和无限小。(2)反射从飞机的底部和周围的对象是微不足道的。(3)不干扰噪声源贡献声场。(4)源位于被认为是固定在数据采集期间。(5)麦克风都假定为相位和振幅匹配,没有自我的声音。声接收器的位置是已知的。(6)声速的变化由于压力和温度的改变是被忽视的。空气中的声速为330米/秒。(7)如果源和接收器之间的距离大于两个接收器之间的距离声波到达接收器可以被认为是平面而非球面。 |
| 图3.1显示了系统的框图描述。声信号是一个物理信号转换成电子信号使用传感器。麦克风是电动的声学传感器或传感器,将声音转换成电子信号。一个放大器用于电信号的功率增加外部能源的使用。一个放大器的动态范围决定ADC的输出水平。过滤器发挥关键作用在所有采样数据系统。大多数模拟到数字转换器(ADC)之前通过一个过滤器去除频率成分,超出了ADC的范围。在抽样数据系统中,频率成分大于一半的采样率转换成感兴趣的频段。抗混叠滤波器用于信号取样器之前,限制信号的带宽大约满足抽样定理。抗混叠滤波器,目的是尽量减少混叠效应而所需的信号采样。 An analog-to-digital converter (ADC) is a device that converts a continuous signal to a discrete time representation in digital form. The frequency on which the sampling will occur is called sampling rate. The sampling rate should be at least twice the maximum frequency component of the signal of interest. The maximum frequency of the input signal should be less than or equal to half of the sampling rate. The digital output will be a two's complement binary number that is proportional to the input. |
信号检测和源定位 |
| 从不同的信号到达接收机,信号的足够的大小和在指定的频率范围内对源定位。功率谱估计技术用于数字化信号探测源光谱域。的信号的功率密度谱显示之间的权力分配信号的各种频率成分。 |
| 在离散时间信号进行频率分析信号转换为其等效频域表示,这是由傅里叶变换的信号。利用FFT、信号的大小和其相应的频率可以找到。信号的功率谱经过一定的限制,是在指定的频率范围被认为是源定位。观察信号的功率谱,尖锐的峰值出现的频率方程可以计算, |
 (4.1) |
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| 答:相位差计算 |
| 到达麦克风的信号在不同时刻的时间也会有它们之间的相位差。让罪恶(wt)和罪恶(wt +Ø)是两个信号到达接收器。产品的这些信号, |
 (4.2) |
| 一个冷杉过滤器可以过滤掉交流组件。其余部分提供了两个信号之间的相位差Ø”。相位差异的信号可以用来获取到达时差(辐射源脉冲)。不同的传播延迟和空气中的声速是已知的。从这个路径不同的声波和到达方向(DOA)对麦克风可以找到。 |
 (4.3) |
 (4.4) |
 (4.5) |
 (4.6) |
 (4.7) |
 (4.8) |
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| 因此通过计算两个信号的相位差角的到来或到达方向(DOA)“Ø”可以获得。一对麦克风加上现有把麦克风获取另一个值的到来的方向。源位置可以使用这些角估计假设的来源是在二维平面上。 |
| b .源位置估计 |
| 麦克风放置在一个L形的数组之间的距离d相邻传感器。接收器1放置在X -轴坐标(5,0)和接收器2是放置在Y轴坐标(0,5)。如果Ø1信号的到达角的角是在第一个接收器和Ø2到达第二接收器,源的二维位置(x, y) |
 (4.9) |
 (4.10) |
实验的细节 |
| 最初创建的场景是使用MATLAB和源位置计算的二维信号的相位差和交叉相关性到达传感器。其次互相关方法用来计算信号的时间延迟和使用这个值计算到达角。 |
| 答:仿真结果 |
| 信号到达两个接收器是人为地刺激在MATLAB环境中假设采样频率为10000赫兹和信号频率变化从100赫兹到4 kHz。cross-correlating和发现均值,计算信号之间的相位差和路径延迟。从路径延迟到达方向(DOA)和位置源估计在二维空间中使用方程(4.9)和方程(4.10),假设接收器放置在L型阵列在已知位置 |
| 下面的表显示了通过刺激在MATLAB环境中获得的值。测量信号的相位差异达到接收器1和2 (ph diff1)和接收器3和4 (ph diff2)所示。从这些移民的角度和源位置估计。实验对各种信号进行频率100赫兹至3千赫,结果显示了100 hz, 2200 hz。 |
| 因此通过计算之间的相位差信号到达是在空间上分开的传感器,可以找到到达角和源的位置。虽然计算位置估计使用之间的相位差信号到达阵列,频率超过3.3 KHz时出现歧义。如果' d '是接收机的两个传感器之间的距离,以避免歧义 |
 (6.1) |
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| 传感器之间的距离为1米,提供了一个独特的解决方案的最大频率到达方向约3.3 khz。高于3.3 KHz频率测量阶段差异将模糊。因此必须保持3.3 KHz上切断频率而找到源位置使用MATLAB中相位差的计算。 |
| 这个缺点是克服cross-correlating实时信号。根据cross-correlating交叉相关性没有频率限制,信号到达接收机可以找到信号之间的时间延迟。滞后的互相关函数有最大值作为两个信号之间的时间延迟。时间延迟的信号,计算到达角。 |
| b .真实信号的实验 |
| 真正的信号实验使用python编程语言进行实时检测到的信号使用麦克风。电脑声卡是用来获取来自麦克风的信号。捕获的信号处理在PC和数字化信号用于源定位。图5.2显示了数据流图的计算信号的到达角。主导频率检测信号中选择最大组件的快速傅里叶变换(FFT)的结果。当信号的功率谱跨越一定限制,这些主导频率检测。信封的地区检测到信号交叉相关信号到达时间的一部分。从互相关检测信号之间的时间延迟到达发现并替换在方程(5.2)和(5.3)找到到达方向(DOA)的检测信号 |
| 从交叉相关性方面的获取时间延迟(Δn)数量的样品。时间延迟了, |
 (5.2) |
| 使用方程(2.3)和(4.5),到达方向(DOA)给出的信号 |
 (5.3) |
| 结果基于实时信号 |
| 在测量过程中,保持静止的来源,在已知位置的传感器。实验通过使用一双麦克风保持1米的间距。声速是330米/秒。因此最糟糕的信号到达接收机的时间延迟可以3毫秒。信号实时采样的采样率44.1 kHz。微秒的时间延迟和信号的到达角获得交叉相关信号的峰值使用方程(6.2)和(6.3)保持源在不同的位置。 |
| 样本获得的值变化的延迟和时间延迟对每个位置都是策划。比较所获得的价值发现的时间延迟45度和90度最低。在90度的信号到达接收机几乎在同一时间,所以信号的到达时间差在90度降至最低。 |
结论 |
| 许多并发症限制系统的潜在的准确性。其中一些是由于物理现象,无法纠正,和其他人是由于固有的错误处理,由于系统的设计。DOA估计的误差可以减少帧尺寸增加的信号。增加数量的频率成分也可能提高DOA估计。 |
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表乍一看 |
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数据乍一看 |
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引用 |
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- 马Beom-Cheol,公园,Chang夸克,Kyu-Dae禁令和Ho -子Yoon计算机软件工程的人类与机器人之间的互动团队,科技大学智能机器人研究部门,声源LocalizationBased视听信息智能服务机器人年代,IEEE国际研讨会在机器人和人类进行互动交流,2002年12月
- 迈可尔夏皮罗Brandstein博士,S.M.E.布朗大学麻省理工学院,一帧语音源定位工作使用传感器阵列,论文报告,1998年5月
- 黄Jingcho Chen雅各布Benesty和型号,时间延迟估计使用空间相关技术,国际研讨会声学回波噪声和噪声控制,京都,日本207 - 210年9月2003页
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